KR20010106222A - 가스 연료 및 가스 압력 조절기용 온도 조절식 히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감압에 의해 온도가 저하된 후에 가스를 온도상승시키기 위해 감압 조절기에 장착되는 가스 연료 히터에 관한 것이다. 상기 히터는 외부 파이프를 통해 상기 조절기로부터 연료를 수용하며, 그 내부에 별도의 가스 통로와 냉매 통로를 구비한다. 냉매 통로는 가스와 조절기를 둘다 가열하는 액상 엔진 냉매를 수용한다. 히터 코어는 그 주위로 가스가 통과하는 다수의 반경방향 연장 핀을 가지며, 상기 냉매는 코어의 내부를 통과한다. 냉매 유동은 가스의 온도에 반응하는 자동 온도 조절 장치에 의해 냉매 통로를 개폐하도록 조절된다.

Description

가스 연료 및 가스 압력 조절기용 온도 조절식 히터{Thermostatically controlled heater for gas fuel and gas pressure regulator}

본 발명은 가스 연료 히터에 관한 것으로, 특히 히터를 통해 엔진 냉매의 유동을 제어하도록 가스 온도에 반응하는 온도 조절기를 갖고 압력 조절기에 장착되는 히터에 관한 것이다.

차량 연료로 사용될때의 압축 천연 가스는 통상 3000 psi 이상의 매우 높은 압력으로 보관된다. 차량 엔진은 이러한 높은 압력에서 연료를 사용할 수 없다. 따라서, 가스 연료 압력을 낮추기 위해 감압 조절기(pressure reducing regulator)가 필요하다. 설계의 단순함으로 인해 다단(multi stage) 조절기보다는 단일 스테이지 조절기가 바람직하다. 감압 중에, 가스가 팽창함에 따라, 가스의 온도는 저하된다. 이러한 가스의 팽창은 - 100 ℃ 부근 또는 그 이하의 가스 온도를 생성할 수 있다. 이러한 가스의 냉각 효과는 통상의 단일 스테이지 조절기 설계에서 가장 주목할 만한 것이다. ITT Conoflow 사에 의해 제작된 단일 스테이지 조절기는 그 자체가 팽창 가스의 극저온에 노출되지 않도록 조절기 본체의 외부에서 가스를 팽창시키도록 설계되어 있다.

그러나 엔진에서의 가스 연료 계량 밸브는 연료 라인에서 일체의 수분이 어는 것을 방지하기 위해, - 40 ℃ 이상, 양호하게는 0 ℃ 이상의 온도의 가스를 구비해야 한다. 이러한 압력 조절기가 엔진에 근접하여 사용될 때는, 연료를 소망 온도로 가열하기 위해 상기 조절기를 엔진상의 계량 밸브에 연결하는 연료 라인에서 가스가 불충분하게 대기 가열된다. 팽창된 가스의 온도를 연료 계량 밸브에 의해 요구되는 최소 온도 이상으로 상승시키기 위해 히터가 필요하다.

본 발명은 온도 조절식으로 제어되는 천연가스 히터를 제공한다. 히터 하우징은 조절기의 본체에 결합된다. 상기 히터는 엔진 냉각 시스템에 연결되고, 히터내에서 냉매 통로를 통해 유동하는 엔진 냉매를 수용한다. 히터는 그 내부에 가스 유입구와 유출구를 갖는 가스 통로를 구비한다. 상기 히터 가스 유입구는 외부 파이프를 통해 조절기의 가스 유출구와 연통된다.

히터 하우징은 원통형이며, 그 내부에는 가스 통로와 냉매 통로를 분리시키는 코어를 갖는다. 상기 코어는, 가스 통로에서 반경방향 외측으로 연장되는 핀(fin)과 냉매 통로에서 반경방향 내측으로 연장되는 핀을 갖는 원통형의 벽을 갖는다. 상기 외측 연장 핀은 교호되는(alternating) 축방향 단부에서 절두 원추 처리(truncated)되어 핀 주위에 구불구불한 가스 통로를 형성한다. 상기 원통형 하우징은 원주방향으로 상호 이격되는 가스 유입구와 가스 유출구를 갖는다. 한쌍의 핀이 상기 가스 유입구를 가스 유출구로부터 분리하여 상기 유입구와 유출구 사이에 격리 공기 공간을 제공한다.

엔진 냉매는 코어와 가스 통로내의 반경방향 외측으로 연장되는 핀에 열을 제공하기 위해 코어의 중앙으로부터 유동한다. 가스가 과열될 때 냉매 통로를 폐쇄시키기 위해 온도 조절장치(thermostat)가 제공된다. 상기 온도 조절장치는 가스 통로내에서 가스 유출구에 인접하여 배치되는 왁스 저장조에 의해 제어된다. 따라서 상기 온도 조절장치는 냉매 압력을 개폐하도록 가스 온도에 반응한다.

상기 히터가 조절기 본체와 일체로 형성되는 것과 대조적으로 조절기 본체에 외부적으로 부착되므로, 상기 조절기가 조절기와 엔진 사이에서 가스 연료의 충분한 대기 가열이 이용될 수 있는 차량 형태에서 사용되면, 히터는 쉽게 제거될 수 있으며, 엔진으로의 연료 라인은 조절기 본체의 가스 유출구에 결합될 수 있다.

양호한 실시예에서, 가스 연료는 7.73 kg/㎠ (110 psi) 또는 8.44 kg/㎠ (120 psi) 로 조절되며 대략 32.2 ℃ (90 ℉)로 뜨거워진다. 본 발명의 히터는, 고압으로 보관되고 압력이 단일 스테이지 조절기에서 감소될 때 과도하게 냉각되는 천연 가스가 아닌 가스상 연료로 사용될 수 있다.

도 1 은 천연 가스 연료 시스템의 개략 도시도.

도 2 는 본 발명의 조절기 및 가스 히터의 사시도.

도 3 은 도 1 에 도시된 조절기 및 가스 히터의 분해 사시도.

도 4 는 도 2 의 4-4 선상에서 취한 단면도.

도 5 는 도 2 의 5-5 선상에서 취한 단면도.

도 6 은 히터 하우징 단부 캡의 절취 사시도.

도 7 은 히터 코어의 확대 사시도.

도 8 은 핀이 제거된 히어 코어의 단면도.

도 9 및 도 10 은 히터 코어의 핀의 측면도 및 단부면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 히터 12 연료 탱크

14 엔진 18 압력 조절기

20, 28 연료 라인 26 계량 밸브

30, 32 냉매 라인

도 1 에 도시된 본 발명의 히터(10)는 도 1 에서 차량 연료 시스템에 도시되어 있다. 상기 연료 시스템은 천연가스와 같은 가스 연료를 엔진(14)으로 공급하기 위해 연료 탱크(12), 압력 조절기(18), 및 히터(10)를 구비한다. 상기 엔진(14)은 액체 냉각식 엔진에 대한 종래의 방식으로 호스(19, 21)에 의해 엔진에 연결되는 라디에이터(16)를 구비하는 냉각 시스템을 구비한다. 상기 히터(10)는 압력 조절기(18)의 본체(36)에 장착된다. 상기 조절기(18)는 탱크(12)로부터 연료 라인(20)을 통해 고압 가스 연료를 수용한다. 상기 조절기(18)는 조절기(18)를 빠져나가는 가스의 압력을 저하시킨다. 가스 압력이 저하됨에 따라, 가스 온도가 낮아진다. 냉각된 가스는 외부 파이프(22)를 통해 조절기 유출구로부터 히터(10)의 가스 유입구로 이동한다. 히터(10)내에서 가열된 후에, 가스는 연료 라인(24)을 통해 엔진(14)상의 계량 밸브(26)로 이동한다. 연료 라인(28)은 연료를 밸브(26)로부터 엔진으로 향하게 한다. 엔진 냉각 시스템으로부터의 냉매는 냉매 라인(30)을 통해 히터로 제공되고 냉매 라인(32)을 통해 엔진 냉각 시스템으로 복귀된다.

도 2 내지 도 5 를 참조하면, 히터(10)가 보다 상세히 도시되어 있다. 상기 히터(10)는 조절기(18)에 부착된 것으로 도시되어 있다. 상기 조절기(18)는 가스 유입구(38)와 가스 유출구(40)를 갖는 본체(36)를 구비한다. 상기 조절기는 통상 ITT Conoflow 사가 제조한 그 고압 천연 가스 차량 시리즈의 조절기이며, 가스를 주로 상기 조절기의 본체 외부로 유출구(40)를 지나서 팽창하도록 설계되어 있다. 그 결과, 조절기는 팽창 가스의 극단적 추위에 놓이지 않게 된다. 상기 외부 파이프(22)는 저온 저압 가스를 유출구로부터 히터(10)의 가스 유입구(42)로 향하게 한다.

상기 히터(10)는 세개의 메인 섹션을 갖는 하우징(43)과, 원통형 부분(44)과, 연장부(46), 및 단부 캡(48)을 구비한다. 상기 원통형 부분, 연장부 및 단부 캡(44)은, 하우징 연장부(46) 내로 나사결합되고 하우징 원통형 부분(44)과 단부 캡(48)을 통해 연장되는 나사식 스터드(50)에 의해 함께 유지된다. 상기 히터의 단부에 있는 너트(52)가 스터드(50)를 유지시킨다. 한쌍의 볼트(54)에 의해 상기 하우징 연장부가 조절기 본체(36)에 고정된다. O-링(57)에 의해 상기 하우징 연장부와 조절기 본체(36)사이가 시일된다. 볼트(55)에 의해 단부 캡(48)이 원통형 부분(44)에 대해 그 사이의 O-링 시일(59)로 결합된다.

상기 히터로의 냉매 유입구(56)가 연장부(46)내에 제공된다. 하우징 연장부는 반경방향 단부 벽(62)을 갖는 컵 형상이며, 중공의 챔버(58)를 형성한다. 상기챔버(58)는 조절기(18)와 대면하는 히터 단부쪽으로 개구된다. 상기 히터가 조절기에 부착될 때, 조절기 본체(36)는 챔버(58)를 폐쇄한다. 상기 냉매 유입구(56)는 챔버(58)내로 액상 냉매가 유입될 수 있게 하며, 따라서 냉매는 조절기를 가열하도록 조절기 본체(36)를 결합시킨다. 하우징 연장부는 냉매가 챔버(58)를 통해 유동할 수 있도록 반경방향 단부 벽(62)을 통과하는 개구(60)를 갖는다. 상기 개구(60)는 챔버(58)에 진입하는 냉매가 조절기 본체를 가로질러 개구(60)로 유동하여야 하도록 냉매 유입구(56)로부터 대향 배치된다.

상기 원통형 부분(44)은 일 단부에 바닥벽(64)을 가지며, 상기 연장부에 대해 O-링 시일(65)로 시일되는 대향 단부에서 개방된다. 상기 원통형 부분(44)에는 코어(66)가 배치된다. 상기 코어는 다수의 내측 연장 핀(70)과 외측 연장 핀(72)을 갖는 튜브형 또는 원통형 벽(68)을 구비한다. 상기 스터드(50)는 튜브형 벽(68)의 내부에서 코어를 통해 연장된다. 와셔와 유사하게 단부 커버(74)는 상기 원통형 부분의 개방 단부에 배치되며, 외측 핀(72)의 단부상에 착좌(seats)된다. 상기 커버(74)는 코어의 튜브형 벽(68)과 하우징 원통형 부분(44)의 내면 사이에서 반경방향으로 연장된다. 상기 코어(66)의 튜브형 벽(68)은 하우징 원통형 부분(44)의 내부를 분리된 가스 통로와 냉매 통로로 분할한다. 가스 통로는 튜브형 벽(68)의 외부에서 반경방향으로 위치하고, 냉매 통로(78)는 튜브형 벽(68)의 내부에 위치한다. 냉매가 상기 개구(60)로부터 코어의 중심(여기서 냉매는 튜브형 벽(68)과 외부 핀(72)을 가열함)으로 유동하기 위한 갭(79)을 제공하도록 내부 핀(70)의 표면에 걸쳐서 상기 커버(74)는 연장부의 단부벽(62)으로부터 이격되어있다. 상기 냉매는 튜브형 벽(68)과 외부 핀(72)을 가열한다.

상기 냉매는 단부 캡(48)에 형성된 웰(well)(80)로 유동한다. 이 웰(80)로부터, 냉매는 섬프(sump:기름통)(82)를 통해 크로스 보어(84)로 유동하며 상기 크로스 보어는 냉매 유출구(86)로 이어진다. 상기 섬프(82)는 온도 조절장치(90)에 대한 돌출선반(ledge)(83)과 시트(85)를 형성한다. 상기 온도 조절장치(90)는 하우징 원통형 부분(44)의 바닥벽(64)에 나사결합되는 결합부재(fitting)(92)를 구비한다. 상기 온도 조절장치(90)는 시트(85)와 결합하여 섬프(82)를 폐쇄하고 히터를 통한 냉매의 유동을 멈추게 하는 플런저(91)를 구비한다. 상기 플런저(91)는 플런저의 립(lip)(95) 및 돌출선반(83)과 결합되는 스프링(93)에 의해 시트(85)로부터 이격 가압된다. 상기 플런저(91)에는 로드(rod)(97)가 연결되어 왁스 저장조(94)로 연장된다. 상기 왁스 저장조는 가스 통로에서 가스 유출구(96) 부근에 배치된다. 가스 연료 온도가 너무 높이 상승하면, 왁스가 용융되어 체적이 늘어나게 되며 이로 인해 플런저가 냉매의 유동을 정지시키도록 시트(85)와 결합할 때까지 로드와 플런저가 스프링에 대항하여 이동하게 된다. 가스 온도가 나중에 저하되면, 왁스가 고화 및 응축되고 플런저는 스프링 힘에 의해 상기 시트로부터 멀리 이동되어 냉매 유동을 재개시킬 수 있다. 상기 온도 조절장치 왁스 저장조(94)는 하우징 원통형 부분(44)에서 히터 가스 유출구(96) 부근의 가스 통로에 배치되며 이로 인해 온도 조절장치는 히터를 통한 냉매 유동의 조절에 있어서 냉매 온도가 아닌 가스 온도에 반응한다. 그 결과, 가스는 일정 온도로 또는 일정 온도에 가깝게 유지되고, 조절기 본체 온도는 원하는 가스 온도를 유지하는데 필요한 하우징 연장부(46)를 통한 냉매 유동에 따라서 다소 변화될 것이다.

상기 코어(66)는 도 7 내지 도 10 에 보다 상세히 도시되어 있다. 상기 코어는 튜브형 벽(68)과 내향 핀(70)을 형성하는 추출부를 구비한다. 상기 벽(68)의 외부에는 원주방향으로 이격된 다수의 T형상 슬롯(98)이 형성된다. 상기 슬롯(98)은 개별적인 핀(72)을 구비한다. 이들 핀은 도 10 에 도시된 바와 같이 단면이 T형상인 확대 에지(104)를 갖는다. 상기 핀은 일 단부에서 절취부(102)로 절두처리된다. 이들 핀은 상기 T형상 에지(104)를 슬롯(98)내에서 길이 방향으로 활주시키므로써 벽(68)에 장착된다. 상기 핀(70)은 코어(66)의 교호 단부에서 절취부(102)와 함께 배치되며, 도 7 에서 화살표 110 으로 도시되듯이 핀(70)의 표면위에 구불구불한 가스 유동 경로를 형성한다.

도 8 을 특별히 참조하면, 코어 벽(68)은 T-슬롯의 부근에서 보다 넓은 공간(106)을 갖고 인접하는 T-슬롯 사이에서 다른 보다 넓은 공간(108)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 두개의 근접 이격된 T-슬롯(98)은 공간(106)과 공간(108)을 분리시킨다. 상기 공간(106)은 하우징 원통형 부분(44)에서 가스 유동 유출구(96)에 인접하여 제공되고 공간(108)은 가스 유입구(42)에 인접하여 배치된다. 상기 공간(106, 108) 사이의 두 슬롯(98)은 절취부(102)가 없는 핀(72)와 유사하난 두개의 전체 길이(full length) 핀(112)을 위해 제공된다. 상기 핀(112)의 사이에는 공기 공간이 제공되어 가스 유입구(42)와 가스 유출구(96) 사이에 절연층을 생성하며 따라서 유입 가스가 유출 가스를 냉각시키지 않는다.

파이프(22)에 의한 조절기 유출구와 히터 가스 유입구 사이의 외부 연결은,본원이 연료의 대기 가열을 위해 조절기와 엔진 계량 밸브 사이에 충분한 연료 라인 길이를 제공한다면, 조절기가 히터(10) 없이 쉽게 사용될 수 있게 한다. 상기 히터는 조절기에 장착되지 않으며, 엔진으로의 연료 라인(24)은 조절기 유출구(40)에 직접 연결된다.

조절기가 냉매에 의해서도 온도상승되도록 히터를 조절기에 장착하는 것이 일반적이지만, 히터는 독립적인 히터로서 사용될 수 있다. 이 경우에는, 조절기를 가열하기 위한 냉매용 개방 챔버(58)가 없게 될 것이다. 대신에, 냉매는 튜브형 벽(68)의 내부를 통해 유동하여 코어(66)를 가열하도록 히터의 코어 영역내로 유입구를 통해 유동할 것이다. 상기 히터는 냉매 온도가 아닌 가스 온도의 함수로서 냉매 유동을 조절하는 장점을 여전히 갖는다.

본 발명은 전술한 실시예에 제한되어서는 안되며, 후술하는 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (20)

1. 고압 가스 유입구와 저압 가스 유출구를 갖는 조절기 본체를 구비하는 가스 연료 압력 조절기에 장착되는 가스 연료용 히터에 있어서,

   상기 조절기 본체에 결합되며, 상기 조절기 유출구와 연통하는 가스 유입구 및 가스 유출구를 갖고, 추가로 냉매 유입구와 냉매 유출구 및 상기 냉매 유입·유출구 사이에 위치하고 조절기 본체에 의해 부분적으로 형성되는 냉매 통로를 구비하는 히터 하우징으로서, 상기 냉매 통로내의 냉매는 조절기 하우징과 결합되는, 히터 하우징과,

   상기 히터 하우징내에 배치되어 가스 통로를 형성하며 상기 가스 통로를 그 내부의 냉매 통로로부터 분리하는 코어, 및

   상기 냉매 통로를 개폐하여 가스 온도의 함수로서 냉매 통로를 통한 냉매의 유동을 허용 또는 방지하도록 가스 통로내의 가스 온도에 반응하는 냉매 유동 제어 부재를 포함하는 히터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유동 제어 부재는 가스 온도에 대해 반응적이도록 가스 통로에서 가스 유출구에 인접하여 부분적으로 배치되는 히터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 조절기 본체와 히터 하우징의 외부에 조절기 가스 유출구로부터 히터 하우징 가스로의 가스 유동 파이프를 추가로 포함하는 히터.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 히터 하우징은 원통형 부분을 가지며, 원통형 부분의 내부에는 코어가 배치되어 가스 통로와 냉매 통로를 반경방향으로 분리하는 히터.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 하우징은 원통형 부분의 일단부에 연장부를 가지며, 상기 연장부는 조절기 본체와 결합되고 그 내부에는 냉매 유입구를 가지며, 상기 연장부내의 냉매 통로는 조절기 본체에 의해 부분적으로 형성되는 히터.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉매는 연장부내에서 냉매 유입구로부터 조절기 본체를 가로질러 측방으로 유동하고 이후 히터 하우징의 원통형 부분내로 축방향으로 유동하는 히터.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 코어는, 히터 하우징의 원통형 부분으로부터 내측으로 이격되어 가스 통로와 냉매 통로를 반경방향으로 분리하는 원통형 벽을 구비하는 히터.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 원통형 코어로부터 하우징의 원통형 부분으로 반경방향 외측으로 연장되며 가스 통로를 형성하는 핀을 추가로 포함하고, 상기 핀은 그 주위에 코어 원통형 벽내의 냉매 통로와 함께 구불구불한 가스 통로를 형성하도록 교호적인 축방향 단부에서 축방향으로 절두원추 처리되는 히터.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 히터 하우징 가스 유입구와 유출구는 히터 하우징의 원통형 부분에서 원주방향으로 상호 이격되는 히터.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 코어의 두개의 핀은 히터 하우징 가스 유입구와 가스 유출구 사이에 배치되는 히터.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유입구는 조절기 본체의 부근에 위치하고, 냉매 유출구는 히터 가스 유출구의 부근에 위치하는 히터.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 유동 제어 부재는 가스 통로내에 배치된 왁스 저장조를 구비하며 따라서 가스 온도에 반응적인 히터.
13. 가스 연료용 히터에 있어서,

    가스 소스와 연통하는 가스 유입구와, 가스 유출구를 구비하며, 추가로 냉매 유입구와 냉매 유출구 및 상기 냉매 유입·유출구 사이에 위치하고 조절기 본체에 의해 부분적으로 형성되는 냉매 통로를 구비하는 히터 하우징으로서, 상기 냉매 통로내의 냉매는 조절기 하우징과 결합되는, 히터 하우징과,

    상기 히터 하우징내에 배치되어 가스 통로를 형성하며 상기 가스 통로를 그내부의 냉매 통로로부터 분리하는 코어, 및

    상기 냉매 통로를 개폐하여 가스 온도의 함수로서 냉매 통로를 통한 냉매의 유동을 허용 또는 방지하도록 가스 통로내의 가스 온도에 반응하는 냉매 유동 제어 부재를 포함하는 히터.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 냉매 유동 제어 부재는 가스 온도에 대해 반응적이도록 가스 통로에서 가스 유출구에 인접하여 부분적으로 배치되는 히터.
15. 제 13 항에 있어서, 상기 히터 하우징은 원통형 부분을 가지며, 원통형 부분의 내부에는 코어가 배치되어 가스 통로와 냉매 통로를 반경방향으로 분리하는 히터.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 코어는, 히터 하우징의 원통형 부분으로부터 내측으로 이격되고 가스 통로와 냉매 통로를 반경방향으로 분리하는 원통형 벽을 구비하는 히터.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 원통형 코어로부터 하우징의 원통형 부분으로 반경방향 외향 연장되고 가스 통로를 형성하는 핀을 추가로 포함하며, 상기 핀은 코어원통형 벽내의 냉매 통로와 함께 그 주위에 구불구불한 가스 통로를 형성하도록 교호적인 축방향 단부에서 축방향으로 절두원추 처리되는 히터.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 히터 하우징 가스 유입구와 유출구는 히터 하우징의 원통형 부분에서 원주방향으로 상호 이격되어 있는 히터.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 코어의 두개의 핀은 히터 하우징 가스 유입구와 가스 유출구의 사이에 배치되는 히터.
20. 제 13 항에 있어서, 상기 냉매 유동 제어 부재는 가스 통로에 배치되는 왁스 저장조를 구비하여, 가스 온도에 반응하는 히터.